Practical second‐order reliability analysis applied to foundation engineering

A practical and efficient approach of implementing second‐order reliability method (SORM) is presented and illustrated for cases related to foundation engineering involving explicit and implicit limit state functions. The proposed SORM procedure is based on an approximating paraboloid fitted to the limit state surface in the neighborhood of the design point and can be easily carried out in a spreadsheet. Complex mathematical operations are relegated to relatively simple user‐created functions. The failure probability is calculated automatically based on the reliability index and principal curvatures of the limit state surface using established closed‐form SORM formulas. Four common foundation engineering examples are analyzed using the proposed method and discussed: immediate settlement of a flexible rectangular foundation, bearing capacity of a shallow footing, axial capacity of a vertical single pile, and deflection of a pile under lateral load. Comparisons with Monte Carlo simulations are made. In the case of the laterally loaded pile, the friction angle of the soil is represented as a one‐dimensional random field, and pile deflections are computed based on finite element analysis on a stand‐alone computer package. The implicit limit state function is approximated via the response surface method using two quadratic models. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于极限分析的圆形浅基础地基承载力上限解

地基承载力问题是岩土工程领域最重要的研究课题之一。针对圆形浅基础地基,从空间问题着手,根据极限分析上限分析理论,选择合适的地基破坏模式及机动位移速度场,首次考虑了单元土体所受的侧向土压力对地基极限承载力的影响,同时考虑到土体自重及地面超载等因素的作用,推导出理论上更为合理的三维圆形浅基础地基极限承载力上限解。结合工程实例,用相应Matlab计算程序计算出上限解,并与实测值进行了对比,证明了其方法的合理性与实用性。     

载荷试验尺寸效应及地基承载力确定方法探讨

压板载荷试验是目前被普遍采用且认为是最可靠的地基承载力确定方法,但其影响因素多诸如压板尺寸、埋置深度、地基土均匀性、沉降稳定标准等,尤其以压板尺寸对试验结果的影响最大。工程实践表明,利用压板试验确定的地基承载力特征值设计的基础,实测沉降与计算沉降之间的误差较大,在已有研究成果基础上,研究载荷试验尺寸效应及地基承载力确定方法：（1）综述目前地基承载力确定方面存在问题;（2）分析载荷试验的尺寸效应;（3）基于杨光华教授提出的非线性切线模量法,推导并给出了如何利用小压板载荷试验结果得到实际基础的荷载-沉降曲线的方法;（4）给出利用实际基础的p-s曲线确定地基承载力的方法,实现地基安全和沉降双控的目的;（5）由于压板试验只能反映浅层土,文中利用旁压试验确定深层土的地基承载力的方法。具体工程实例结果表明,基于利用小压板获得的参数计算的沉降值更符合实际;研究通过小压板原位测试方法获取沉降计算的岩土体统参数方法,不仅能够提高沉降计算精度,还可促进基础设计理论的发展和设计水平的提高。     

软土地区扩孔灌浆预制管桩承载力研究

对软土地区的管桩竖向承载力试验成果进行了统计分析,研究表明：逾70%的管桩实际采用的竖向承载力不足管桩桩身强度的50%,未能充分发挥管桩桩身材料具有较高强度的优势。开发了适用于软土地区的扩孔灌浆管桩专利技术,通过在桩端设置尺寸大于桩身外径的端板,实现沉桩的同时在桩周形成大于桩身外径的空间,并利用管桩余浆等胶凝材料在此空间进行注浆形成扩孔灌浆管桩。对13根试验桩进行竖向抗压、抗拔和抗水平力足尺试验,表明该工艺可显著提高管桩桩端和桩侧土的阻力,以提高管桩的竖向承载力和抗侧移刚度,并在某重点工程中进行了应用,取得较好的社会经济效益     

短桩基础桩-土共同作用的原位测试与数值分析

通过对湖沼平原一个6层建筑的短桩原位测试和数值分析,研究了短桩基础的荷载传递与变形特性。试验结果表明,桩基的实际承载力大于计算值,而沉降远小于计算值。桩顶反力和基底土压力的观测结果显示：地基土所分担的荷载较小。对短桩基础的桩-土共同作用进行数值分析,得到了地基土层内的附加应力和分层沉降变化情况。研究结果表明,湖沼平原短桩基础的沉降以桩端以下土层的压缩变形为主。浅部硬土层既作为短桩的持力层,又有利于附加应力的扩散,从而减小了沉降。     

浅埋暗挖管棚超前预支护的受力分析

以荷载-结构分析为主,将管棚作为弹性地基梁考虑,而将上部覆土单纯作为荷载考虑,结合一般管棚预支护作用下的地下工程开挖过程,根据经典的Winkler模型初参数解,全面动态分析开挖过程中管棚各段的受力过程,提出了开挖过程中管棚全段的计算方程。以某一地下通道开挖为例,通过解析计算和有限差分数值模拟两种方法比对,得出了与工程经验较一致的结果,对管棚法施工及设计具有一定的参考意义。     

桩−筏基础中能量桩热−力耦合特性现场试验

能量桩兼具承担上部荷载和传递浅层地温能双重功能,能量桩的换热与承载特性逐渐成为广大工程技术人员关注的重点问题。然而,针对桩?筏基础中能量桩的热?力耦合特性的现场实测资料仍相对较少。提出将桩基完整性检测中的声测管底端连接贯通,作为能量桩的换热管,形成新型能量桩埋管形式;在桩?筏基础中能量桩运行状态下,开展桩?筏基础热力响应特性、能量桩对筏板应力影响的现场试验,实测获得桩身温度、桩身应力及筏板应力变化规律。研究结果表明,该试验条件下,能量桩（1U埋管、有效深度为12.8 m、桩顶埋深为5.5 m）的换热效率约为80～90 W/m;无上部荷载、能量桩加热状态下,筏板上边缘呈现出一定的拉应力,值得工程技术人员关注。     

公路路基地基承载力的离心模型试验与分析

公路路基由于基底的柔性和荷载分布为梯形,路基地基的破坏模式和确定方法与刚性基础地基有所差异,对公路路基地基承载力的研究具有重要的理论意义和实用价值。通过柔性条形基础、梯形路基以及模拟沟谷地形的柔性条形基础等3组离心模型试验,对公路路基地基的破坏机制和极限承载力进行了研究,并采用关联流动的Mohr-Coulomb内切圆屈服准则对试验结果进行了数值模拟和对比分析,研究结果表明,公路路基地基由于基底的柔性和较高的离心加速度,很难产生理想的整体剪切破坏形式;与刚柔性条形基础相比,梯形路基作用下的基底中心点沉降更大;沟谷地形对柔性条形基础基底中心点的沉降有一定的影响,但并不明显影响地基极限承载力。     

高速铁路CFG桩复合地基柔性载荷试验研究

高速铁路建设的迅速发展及高速铁路对路基沉降的严格要求,CFG桩在高速铁路路基的处理上得到大量运用。但铁路工程对路基的作用原理与工民建工程对地基的作用原理有本质的区别,工民建房屋建筑荷载通过基础对地基施加刚性荷载,而铁路路基直接承受上部路堤的自重和列车运行产生的柔性荷载。高速铁路CFG桩复合地基的设计都是根据工民建行业的设计理论进行,其试验结果必然与实际情况存在偏差。本文着手研究适合于高速铁路复合地基的柔性载荷试验方法,模拟高速铁路柔性加载的特性,通过数值分析对比了刚性荷载和柔性载荷作用下CFG桩复合地基的桩、土应力、位移分布情况;通过现场载荷试验对设计方案进行了验证,研究了高速铁路CFG桩复合地基的承载力特性,结果证明柔性载荷试验是可行的,能合理的模拟高速铁路CFG桩复合地基承载特性,可为柔性基础下CFG桩复合地基的设计提供基础。     

刚-柔性桩复合地基试验研究

阐述了深厚软土地基中刚-柔性长短桩复合地基的设计思想。针对椒江地区土体的工程特性和拟建建筑物的特点,通过大型现场试验,介绍了其在某国家康居示范工程中的应用,并分析了此类复合地基的主要工程性状,研究了桩土应力比以及荷载分担比的发展规律。试验表明,此类复合地基能使刚性桩、柔性桩以及土体协调变形,合理发挥它们各自的承载能力,为以后的设计和推广应用提供了依据。     

开孔管桩动孔压消散特性的理论研究

可液化地基在遇到地震作用或任何其他突变应力条件下,土体会迅速丧失强度和刚度,发生液化,从而失去承载能力。传统的抗液化措施主要集中在地基处理层面,而开孔管桩则兼具抗液化性能和承载能力。在假设开孔管桩孔洞内液体流动满足Poiseuille方程且等应变假设成立的前提下,结合开孔管桩复合地基的应力集中现象,推导出地基在时变荷载作用下的径竖向组合孔压解析解。考虑到循环荷载作用下的孔压积累现象,进一步利用孔压发展的经验模型改进该解析解。在此解析解的基础上,分析、对比开孔管桩、碎石桩、不排水桩以及天然地基的孔压发展情况,得出开孔管桩具有最好的孔压消散能力。桩-土模量比、井径比等因素对孔压的发展都有重要的影响,桩-土模量比越大、井径比越小,孔压消散速率越快。桩本身开孔系数对孔压发展的影响不明显。荷载频率只影响初始孔压峰值,并不影响孔压振荡衰减的速率。     

无厚度界面单元边坡浅基础极限承载力上限值的数值分析

采用研发的有限单元分析程序,并同时考虑以库仑摩擦界面为组成模式的多段式无厚度界面单元,藉以探讨边坡坡角与坡缘距离对边坡坡顶浅基础极限承载力的影响,并应用于不同几何破坏机制条件,计算边坡基础在凝聚性土体的最小荷载上限值,模拟土体间的滑动破坏趋势与渐进式破坏行为。研究分析内容包含：（1）浅基础位于半无限空间;（2）在不同边坡坡角条件下,浅基础位于坡顶边缘处;（3）在不同边坡坡角条件下,浅基础位于不同坡缘距离等。经由数值计算分析结果显示,坡缘距离值愈小或边坡坡角愈陡峭时,边坡浅基础极限承载力值则愈小。换言之,当浅基础位于坡顶边缘处且坡角为垂直开挖情况时,则导致浅基础极限承载力降低约50 %。     

浅埋管道水平横向作用下砂土极限承载力研究

断层、滑坡、液化等地质灾害引起的场地大变形对埋地管道结构安全产生严重的威胁。开展了中密砂中埋地管道−砂土水平横向相互作用的系列三维数值模拟,根据数值模拟的结果探讨了不同深径比下管−砂土横向相互作用时土体的破坏模式,研究了深径比对砂土极限承载力的影响。基于管周土体的破坏模式建立了简化计算模型,根据极限平衡理论推导了管道水平横向运动时砂土极限承载力计算公式。研究结果表明：极限状态下,浅埋管道周围土体形成延伸到地表的破裂面,轮廓线近似对数螺线;砂土的极限承载力随着深径比增加,最终在临界深径比处达到稳定;随着深径比的增加,土体发生剪切滑动破坏所需的管道位移也逐渐增大;由于横向承载力系数取值依据不同,国内外规范计算所得土体极限承载力差异较大;得到的解析解能够较好地预测中密砂土中浅埋管道水平横向运动时土体的极限承载力。     

基于接力排水的强夯法在滨海回填区地基处理中的试验研究

本文对山东半岛海岸带滨海杂填土、饱和粉细砂、淤泥质土等特殊复杂地层地基处理方法进行了研究。以经济高效的强夯法为基础,提出复杂地层整体排水概念,设计了浅层、深层竖向排水和水平排水的接力排水系统,并进行了现场试验研究。监测数据表明,强夯荷载作用下,接力排水系统整体协同排水,可快速排出各个地层中地下水、消散超孔隙水压力。7 h左右可基本消除强夯引起的地下水上升及孔隙水压力消散。持续降水,地表沉降为上部土体厚度的0.7%～2.0%。强夯动力荷载作用下,表层土体压缩为上部土体厚度的8.7%～10.9%。埋深3～7 m土体沉降约为土体厚度的5‰、3‰,埋深7～10 m土体沉降为土体厚度的2‰。检测数据表明,在强夯有效影响深度内地基处理效果明显,土体工程性状改善明显。表层承载力及变形模量满足设计要求,4 m以下淤泥承载力平均值略低于设计要求,下部淤泥质土计算平均固结度为77%。夯后1个月监测数据表明,地表沉降量在25 mm以内,已逐步趋于稳定,分层沉降、孔隙水压力数值整体稳定略有下降。     

埋深基础地基极限承载力的数值求解方法

为确定作用在已知埋深、给定基础形状地基土上的极限承载力,对基底下的土体进行网格划分,先假定一均布荷载作用在此地基土上,运用明德林解的积分公式,结合角点法,编制MATLAB语言程序,求出每个网格节点上附加应力,进而求得每个网格节点上主应力,根据破坏准则,结合程序找出破坏点的坐标,利用MATLAB的图形处理功能,把破坏点的坐标在坐标图中显示出来。继续加大矩形荷载,直至这些破坏点在坐标图中刚好能够形成一个连续的破坏面,此时的矩形荷载即为此地基的极限承载力。此方法不仅可以有效地避免了地基承载力经验公式中一些不合理的假设带来的误差,更符合实际情况,而且可以直观地了解到地基土的三维破坏面。     

求水山隧道下穿机荷高速段新奥法施工有限元计算

结合求水山隧道的暗挖法施工方案,对软土地区浅埋隧道下穿高速公路的施工过程进行了有限元模拟,以用于评价按该施工方案施工时对其上部高速公路的影响。由于该段隧道最小埋深仅4 m,且上部还有高速公路车辆荷载,因此,在设计时采用了新奥法结合管棚工法的方案。有限元建模使用平面应变单元,通过引入应力释放分析步和使用追踪单元等方法充分体现了新奥法的特点,并通过设置耦合和弹簧的方法实现了管棚工法的模拟,在计算中还考虑了开挖顺序和支护顺序的影响。研究结果表明：对于上部有荷载的浅埋暗挖隧道,控制衬砌的水平向变形能改善衬砌环的工作状态,因此,可显著减少开挖引起的隧道顶面沉降,新奥法结合管棚工法可较好地控制该类型隧道开挖引起的地表沉降变形。     

柔性桩复合地基的系统可靠性分析方法研究

运用系统可靠度理论,根据柔性桩复合地基分别按承载力设计和变形控制设计的不同计算方法,将复合地基整体系统分为复合地基承载力子系统、变形子系统、差异变形子系统,分别进行可靠性分析,并计算整体系统失效概率。提出了复合地基的系统可靠性分析方法,为复合地基的优化设计提供了一种思路。     

Experimental and numerical study of soil-reinforcement effects on the low-strain stiffness and bearing capacity of shallow foundations

This paper presents results of meticulous laboratory testing and numerical simulations on the effect of reinforcement on the low-strain stiffness and bearing capacity of shallow foundations on dry sand. The effect of the location and the number of reinforcement layers is studied in the laboratory, whereas numerical simulations are used to study the reinforcement-foundation interaction. Laboratory tests show an increase of 100, 200, and 275% not only in bearing capacity but also in low-strain stiffness (linear load–displacement behaviour) of a square foundation when one, two, and three layers of reinforcement are used, respectively. The specimen preparation technique is found to be crucial for the repeatability and reliability of the laboratory results (less than 5% variability). Numerical simulations demonstrate that if reinforcements are placed up to a depth of one footing width (B) below the foundation, better re-distribution of the load to deeper layers is achieved, thus reducing the stresses and strains underneath the foundation. Numerical simulations and experimental results clearly identify a critical zone between 0.3 and 0.5B, where maximum benefits not only on the bearing capacity but also on the low-strain stiffness of the foundation are obtained. Therefore, soil reinforcement can also be used to reduce low-strain vibrations of foundations.     

软土地区填砂竹节桩抗压承载性能研究

软土地区土体工程性质较差,土体所能提供桩侧摩阻力和桩端阻力较小,预制桩桩身材料强度无法充分发挥。在预制桩压入土体过程中灌入砂石能够改善桩周土体性质,提高桩-土接触面摩擦性能,从而提高桩基的抗压极限承载力。为了研究填砂竹节桩的抗压承载性能,进行了一组现场静载试验和ABAQUS三维建模计算,通过对试验和计算结果的分析可以得出以下结论：软土地基中填砂竹节桩的抗压承载性能相比常规等截面管桩有了显著提高;填砂竹节桩桩身轴力在竹节节点处减少幅度较大,竹节节点能够提高桩侧承载性能;软土地基中填砂竹节桩桩侧承载性能相比常规等截面管桩有了显著提高,且侧阻增大系数为1.15～1.40。     

Learning soil parameters and updating geotechnical reliability estimates under spatial variability – theory and application to shallow foundations

ABSTRACT

Field data is commonly used to determine soil parameters for geotechnical analysis. Bayesian analysis allows combining field data with other information on soil parameters in a consistent manner. We show that the spatial variability of the soil properties and the associated measurements can be captured through two different modelling approaches. In the first approach, a single random variable (RV) represents the soil property within the area of interest, while the second approach models the spatial variability explicitly with a random field (RF). We apply the Bayesian concept exemplarily to the reliability assessment of a shallow foundation in a silty soil with spatially variable data. We show that the simpler RV approach is applicable in cases where the measurements do not influence the correlation structure of the soil property at the vicinity of the foundation. In other cases, it is expected to underestimate the reliability, and a RF model is required to obtain accurate results.